隐函数

由隐式方程所隐含定义的函数

在数学中,函数 与自变量 的函数关系是由一个含 和 的 方程 所确定的,即 与 的关系隐含在方程 中,称这种由未解出因变量的方程所确定的 与 之间的函数关系为隐函数。

隐函数存在 定理 为:设函数 在点 的某一 邻域 内具有连续的 偏导数 ,且 ,则方程 在点 的某一邻域内恒能唯一确定一个连续且具有连续导数的函数 满足条件 ,并有 。

定义

隐函数是由隐式 方程 所隐含定义的函数。设 是某个定义域上的函数。如果存在定义域上的子集D,使得对每个x属于D,存在相应的y满足F(x,y)=0,则称方程确定了一个隐函数。记为y=y(x)。显函数是用 来表示的函数,显函数是相对于隐函数来说的。

求导法则

对于一个已经确定存在且可导的情况下,我们可以用 复合函数 求导 的 链式法则 来进行求导。在方程左右两边都对 进行求导,由于 其实是 的一个函数,所以可以直接得到带有 的一个方程,然后化简得到 的表达式。

隐函数 导数 的求解一般可以采用以下方法:

方法①:先把隐函数转化成显函数,再利用显函数求导的方法求导;

方法②:隐函数左右两边对 求导(但要注意把 看作 的函数);

方法③:利用一阶 微分形式 不变的性质分别对 和 求导,再通过 移项 求得的值;

方法④:把n元隐函数看作( )元函数,通过多元函数的 偏导数 的商求得n元隐函数的导数。

举个例子,若欲求 的导数,那么可以将原隐函数通过移项化为 的形式,然后通过(式中 分别表示 和 对 的偏导数)来求解。

推理过程

一个函数 ,隐含在给定的 方程 中,作为这方程的一个解(函数)。

例如 如果不限定函数连续,则式中 正负号 可以随 x 而变,因而有无穷个解;如果限定连续,则只有两个解(一个恒取正号,一个恒取负号);如果限定可微,则要排除 ,因而函数的定义域应是 开区间 ,但仍然有两个解;如果还限定在适合原方程的一个点 的邻近范围内,则只有一个惟一的解(当起点 在 上半平面 时取正号,在下半平面时取负号)。

微分学 中主要考虑函数 与 都连续可微的情形。

这时可以利用复合函数的 导数 法对 方程 (1)直接进行微分:

可见,即使在隐函数 难于解出的情形,也能够直接算出它的 导数 ,唯一的条件是

隐函数理论的基本问题就是:在适合原方程(1)的一个点的邻近范围内,在函数 连续可微的前提下,什么样的附加条件能使得原方程(1)确定一个惟一的函数 ,不仅单值连续,而且连续可微,其 导数 由(2)完全确定。隐函数存在 定理 就用于断定(3)就是这样的一个条件,不仅必要,而且充分。

示例

设 方程 确定 是 的函数,并且可导。如今可以利用复合函数求导公式求出隐函数 对 的 导数 。

例1 方程 确定了一个以 为自变量,以 为 因变量 的数,为了求 对 的 偏导数 ,将上式两边逐项对 求导,并将 看作 的复合函数,则有:

即 于是得 从上例可以看到,在等式两边逐项对自变量求 导数 ,即可得到一个包含 的 一次方程 ,解出 即为隐函数的导数。

例2 求由 方程 所确定的隐函数 的 导数 。

解:将方程两边同时对 求导,得:

解出 即得

例3 求由方程 所确定的隐函数 的导数。

解:将方程两边同时对 求导,得

解出 即得。

参考资料